高压放大器在微结构电流体喷射打印平台研究中的应用-电子发烧友网

实验名称：绝缘衬底微结构电流体喷射打印平台研发

测试目的：电流体喷射打印技术在绝缘/柔性衬底上大面积、低成本制备微结构的能力具有重要的应用前景和潜力，然而现有技术对厚度大于3mm的绝缘衬底上制备微结构仍面临挑战，因此有必要开发一台在大面积的绝缘衬底上实现微结构制备的电流体喷印平台，实验主要目的是基于交变电场的绝缘衬底打印方法，设计制造交变电场打印喷头、喷头夹具，开发位移平台、观测相机集成及驱动软件，研发绝缘衬底电流体喷射打印平台。在电流体打印喷头上施加稳定的交变电场是实现绝缘衬底打印的重中之重，研制了绝缘衬底打印喷头并确定了喷头与接地电极的位置关系。为提高绝缘打印设备各模块的协同控制，对各运动、成像、供液等模块进行了集成并基于LabVIEW软件编写了控制程序，实现高绝缘衬底电流体喷射打印平台的集成。

测试设备：高压放大器、函数发生器、电流体喷头、上位机、相机等。

实验过程：

图1：电流体喷射打印平台示意图

搭建的绝缘衬底电流体喷射打印平台主要包括驱动软件和硬件两个方面，其示意图如图1所示。电流体喷射打印平台的功能模块主要由五部分构成。

（1）电喷印喷头模块

在电喷工艺流程中，在衬底上打印的导电油墨会带有一定浓度的残余电荷，而当材料在金属材质的电极上堆积时，残余电荷的浓度也会增加，而残余电荷的极性与锥射流的液面上的电荷极性是一样的，同极性的电荷之间会有库伦排斥力，这种排斥力会使喷印射流的稳定性失衡，引起打印的中断、鞭动、甚至堵塞喷头。

（2）流量供给模块

银导电墨水具有的表面张力对喷头供液影响较大，在极低（<0.033N/m）的表面张力作用下，悬浮液滴表面受垂直于悬液内的垂直方向的运动阻力较低，从而导致墨水在喷头针尖处聚集造成“爬针”现象。与传统机械式供液方式相比，气压推挤的供液方式具有稳定性，可以防止毛细效应引起的墨水“爬针”现象，气动式供液方式主要有由空气压缩机、调压阀、导管等部件构成。

（3）交变电场供电模块

电流体喷印的核心就是电场的施加，交变电场供电模块由函数发生器和高压放大器组成，该模块可为打印提供所需的交变电场，于喷头喷针与金属底座之间。

（4）观测模块

观测模块采用的工业相机，分辨率为2448×2048，帧率为35FPS其能够通过USB3.0串口与计算机进行通信，通过上位机中图像显示软件能够采集到视频图像。选用工作距离为20cm，视场大小为8.45×7.07mm的远心镜头。

（5）运动控制模块

运动控制模块主要包括3个部分。第一部分是三维位移轴，包括X-Y-Z三个方向，采用HIWIN的KK模组系列，由于实验中对轴的有效行程、精度以及运动速度有所要求，对XY轴精度的要求比Z轴高。

电流体喷射打印平台控制软件研发：

为了使电喷印系统的硬件组件能够进行协调控制，本论文在LabVIEW的开发环境下，研制和开发了相应的电流体喷射打印中所使用的控制软件。控制电喷印喷头模块、流量供给模块、交变电场供电模块、观测模块和运动控制模块，增强其联动性，实现协同控制，完成电流体喷射打印实验研究。

图2：各模块与上位机通信示意图

实验结果：

搭建了绝缘衬底电流体喷射打印平台。在硬件方面，搭建电流体喷射打印平台，针对绝缘衬底电荷积累带来的打印不稳定问题，配置了交流高压放大器和脉冲函数发生器，为打印提供正负交变电场，以保证稳定打印，建立了一套打印过程实时监测系统，可实现对打印过程中射流形态进行监测。在软件方面，为了在打印中实现打印、运动、成像等功能模块的协调控制，采用LabVIEW编写了应用于绝缘衬底上的电流体喷射打印平台的控制软件，实现操作可视化，提高打印设备的整体操控性。

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